Principali cause nella formazione di punti duri

Main causes of hard spots growth
1. Introduzione
Con il termine punti duri si intendono degli inestetismi che compaiono sulla superficie del pezzo
dopo la lucidatura finale. Si tratta di punti in rilevo molto duri che la finitura meccanica finale
non riesce ad eliminare, anzi mette ancora più
in evidenza. Infatti insistendo con la lucidatura
nella zona del punto duro, viene asportato materiale solo attorno al difetto, in quanto molto più
tenero. Il risultato è quello di avere dei puntini in
rilievo ben visibili ad occhio nudo. Il problema è
che tali difetti, nella maggior parte dei casi, si individuano solo dopo lucidatura, così oltre al danno dovuto all’eliminazione del pezzo ci si rimette
anche tutto il tempo necessario per la produzione
e la finitura dell’oggetto.
Le cause scatenanti di tale tipo di difetto sono
molteplici. In questo lavoro sono state analizzate
e riportate le più comuni origini della formazione
di punti duri.
Una delle principali cause sicuramente è la presenza di impurezze nelle materie prime.
Quando si producono oggetti preziosi, produttori
ed utenti finali si preoccupano che il contenuto
d’oro corrisponda al marchio applicato, mentre
nessuno presta attenzione alle impurezze.
Tali impurezze possono avere delle conseguenze
gravi sulla qualità degli oggetti prodotti, come ad
esempio la formazione di punti duri.
Un’impurezza è un composto od un elemento
della stessa natura della lega, la cui presenza nel
materiale non è prevista o desiderata. Essenzialmente le cause di questo problema possono essere
di due tipi:
• impurezze derivanti dalla materia prima;
• contaminazione nel processo produttivo.
In assoluto è più difficile cautelarsi nei confronti
delle impurezze derivanti dalle materie prime. È
perciò necessario scegliere fornitori affidabili e
certificati. In particolar modo sarebbe consigliabile prestare attenzione alla purezza dell’oro che
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in generale deve essere del 99.99%.
L’affinazione dell’oro disponibile in commercio
avviene per via chimica. Con questo metodo è difficile separare completamente l’oro dagli altri elementi del gruppo dei platinoidi (Ru, Rh, Pd, Os,
Ir, Pt), nel seguito denominati PGM.
Il meccanismo di affinazione è basato sulla soluzione degli elementi in acqua regia (solvente). Il
soluto poi, viene lasciato decantare per permettere l,a precipitazione dell’oro; ma anche gli altri elementi contenuti nella lega in affinazione
(Platinoidi) hanno lo stesso comportamento. Per
separarli si sfruttano le differenze fisiche come ad
esempio la diversa densità che porta alla stratificazione degli elementi. Si può quindi intervenire
fisicamente asportando gli strati indesiderati. In
ogni caso si tratta di un processo molto delicato.
Esistono comunque metodi di affinazione dell’oro
che garantiscono una purezza maggiore. Tali tecnologie sono basate su sistemi elettrolitici che
consistono nell’applicazione di una differenza di
potenziale ad una cella galvanica all’interno della
quale è disciolto l’oro. In questo modo è favorita
la separazione dell’oro dagli altri elementi attraverso la semireazione di riduzione riportata di
seguito:
Au+ + e- → Au (solido)
Au3+ + 3e- → Au (solido)
Tali processi consentono di raggiungere gradi di
purezza estremi ma sono troppo costosi e pertanto
non applicabili alla pratica industriale.
Va notato come anche il processo di produzione
rappresenti una fonte di potenziali contaminazioni. Queste possono derivare ad esempio dall’uso
di crogioli che, originariamente utilizzati per prodotti di natura diversa, contengono residui indesiderati. Un caso tipico è l’impiego di crogioli
contaminati con tracce di affinatore di grano o
elementi disossidanti per la produzione di leghe
che non ne richiedano la presenza oppure quando
si usa uno stesso crogiolo per diversi colori. Bi1
sogna tener presente pure che gli stessi crogioli
(seppure non contaminati) possono essere fonte
di inquinamento rilasciando elementi nocivi alla
lega.
Di seguito nomineremo i punti duri formatisi per
le cause sopra descritte come punti duri generati
da impurezze.
Altra causa potrebbe derivare dall’errato utilizzo di madreleghe. Infatti è pratica comune nel
mondo orafo utilizzare madreleghe, costituite da
elementi di vario genere, che vengono inserite assieme all’oro nella fusione e che sono preparate
appositamente per conferire alla lega preziosa
specifiche caratteristiche meccaniche ed estetiche.
Dando per scontato che tali madreleghe sono prodotte solo con materie prime di elevata purezza e
qualità, va detto fin da subito che una madrelega
generalmente è studiata per dare buoni risultati soltanto se legata a certe specifiche carature.
Questo perché, alcuni elementi che devono essere
presenti nella lega in quantitativi molto bassi (ad
esempio affinatori di grano o disossidanti) lavorano bene solo se presenti in determinate quantità.
Ecco che allora legare a titoli diversi rispetto a
quelli indicati produce effetti importanti sulla
concentrazione di tali elementi e quindi anche
sull’efficacia della loro azione. Anche l’utilizzo
contemporaneo di due madreleghe diverse (ad
esempio una con affinatore e un’altra con silicio)
favorisce la nascita di punti duri.
Un’altra causa di punti duri potrebbe essere il
riutilizzo dello stesso materiale in più di una fusione. Potrebbe succedere che leghe con affinatore
del grano (iridio, rutenio, renio) portino alla presenza superficiale di punti di composizione completamente differente e solitamente di durezza
elevata in quanto fusione dopo fusione si accumulano aggregandosi tra loro. Anche il silicio potrebbe presentare tale problema, infatti, specialmente
nelle leghe bianche, tende a reagire con il nichel
e formare dei composti che all’aumentare del numero di rifusioni si accrescono formando dei punti
duri. Una considerazione importante è quella che
per tutti gli elementi aggiunti in piccola quantità
(parti per milione, quali affinatori e silicio) è fondamentale avere una buona omogeneizzazione in
lega in quanto potrebbero, se concentrati in alcune aree, combinarsi tra loro e formare degli aggregati molto duri come sopra descritto.
Di seguito nomineremo i punti duri appena descritti come punti duri da agglomerazione.
pio pratico vengono forniti dei suggerimenti per
evitare che tale difetto si ripresenti in futuro.
Punti duri generati da impurezze
Le impurezze presenti nella materia prima (oro)
possono agire come nucleanti che favoriscono
l’aggregazione degli affinatori in alcuni punti del
metallo. Può succedere anche che tali impurezze
corrispondano agli elementi che funzionano da
affinatori, in tal caso si ha una saturazione di affinatore che porta alla formazione di puntini (infatti le composizioni sono calibrate, una maggiore
presenza di un elemento porta alla nascita del
problema).
Le impurezze possono anche accumularsi fusione
dopo fusione; è pratica usuale riutilizzare sfridi
di fusioni precedenti e portare ad affinare il materiale solo dopo un certo numero di cicli di rifusione, allo scopo di ridurre i costi di produzione.
Tuttavia, durante i cicli produttivi il materiale
raccoglie continuamente impurità dalle più svariate provenienze; pertanto un eccessivo riutilizzo
degli sfridi carica progressivamente la lega di elementi inquinanti.
Questo effetto dannoso è ulteriormente amplificato qualora non si effettui un’ adeguata pulizia
degli sfridi, specialmente se questi provengono
da fusioni di leghe diverse da quella che si sta
utilizzando. Gli elementi inquinanti hanno normalmente temperature di fusione molto più elevate rispetto a quella della lega, pertanto sono
presenti nel fuso sotto forma di particelle solide.
A causa della bassa solubilità delle impurezze,
dovuta alla scarsa capacità del reticolo cristallino
della lega base di contenere elementi estranei,
si ha formazione di aggregati di particelle dure
con una distribuzione molto disomogenea. Queste
generano difetti superficiali quali i punti duri
(figura 1) che peggiorano notevolmente l’aspetto
del pezzo.
2. Casi pratici
Here are reported the practical cases found durSi
riportano vari casi pratici riscontrati in ProGold
negli ultimi tre anni di lavoro. Si dividono i punti
duri osservati in punti duri generati da impurezze e da agglomerazione. Accanto ad ogni esem2
Figura 1 – Punti duri da impurezze
L’impatto estetico è ulteriormente aggravato, in
quanto se si lucida un oggetto con punti duri, si
ottiene il cosiddetto effetto cometa. La lucidatrice
infatti, non riesce ad asportare l’aggregato, esProGold Srl
sendo questo caratterizzato da elevata durezza, e
il materiale a valle di questo forma un rilievo che
appare visivamente come una cometa (figura 2).
Figura 3 - Punti duri di Fe e Ir
Il ferro ha agito da nucleante favorendo la coalescenza di iridio. Per evitare il problema bisognerebbe evitare di utilizzare sfridi che possono
contenere degli elementi inquinanti. Ovviamente
quelli provenienti da lavorazioni con asportazione
di truciolo presentano una elevata probabilità di
contenere inquinanti, per cui sarebbe il caso di
scartarli a priori.
Un caso molto simile è quello riportato in figura
4, difetto osservato su una lega rossa 18 ct (colore
5N).
Figura 2 – Effetto cometa
Un esempio di questo tipo potrebbe essere il riutilizzo di sfrido prodotto nella lavorazione alle macchine utensili. Tale materiale è entrato in contatto
con parti ferrose nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, le quali possono rilasciare piccoli
frammenti di impurezze di ferro che generano la
formazione di aggregati di ferro e iridio con formazione di punti duri come in figura 3.
Figura 4 – Punti duri da colata continua
Anche qui si tratta di aggregati di ferro iridio,
ottenuti questa volta in colata continua. Il ferro
probabilmente proviene dalla barra di attacco
della colata continua. Pertanto si raccomanda la
massima attenzione in colata continua, in particolare a non togliere l’oro solidificato sulla barra
ponendo quest’ultima dentro il bagno di prefusione per far liquefare il metallo prezioso.
Un altro accorgimento importante è quello di utilizzare crogioli differenti in funzione del tipo di
lega da fondere. Bisognerebbe evitare di usare
lo stesso crogiolo per leghe con silicio e leghe con
affinatore ma comunque sarebbe già importante
evitare di condividere lo stesso crogiolo tra oro
colorato e oro bianco. Sempre a riguardo dei crogioli si consiglia di porre particolare attenzione alla
loro qualità e al materiale di cui essi sono costituiti. Alcuni problemi possono derivare dall’utilizzo
di crogioli in carburo di silicio. Questo, durante i
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processi di fusione, può rilasciare del silicio che,
mescolandosi al metallo fuso, inquina la lega favorendo la formazione di punti duri come si può
osservare in figura 5:
Figura 5 – Punti duri di nichel silicio
Tali punti duri sono stati osservati in una lega
d’oro bianco 18 ct e sono composti da siliciuri di
nichel. La loro formazione è da attribuire al rilascio di silicio da parte del crogiolo che ha saturato
la quantità di silicio tollerabile dalla lega, portando alla formazione di tali agglomerati. E’ consigliabile, perciò, utilizzare crogioli che rispondono
a requisiti specifici quali bassa reattività chimica
con il metallo fuso e resistenza agli shock termici.
I punti duri più frequenti osservati derivano però
dalle impurezze presenti nella materia prima, in
particolare nell’oro. Un caso molto comune è quello della presenza di osmio nell’oro. Purtroppo anche acquistando oro 999,9‰ non si è sicuri che tale
difetto non si presenti come già spiegato. L’osmio
agisce come nucleante e porta alla formazione di
aggregati con l’affinatore. I punti duri da osmio
normalmente presentano una forma ben caratteristica, squadrata e con spigoli vivi. Di seguito si
possono osservare vari esempi di tali difetti.
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Figura 6 – Punti duri da osmio
Nella figura 6 sono riportati punti duri formati
da osmio e irido. Di seguito si riporta un esempio
di punto duro formato da osmio iridio e tugsteno,
figura 7.
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I punti duri da osmio si presentano molto più
grandi rispetto a quelli analizzati finora. Per
evitare tale problema bisogna esclusivamente
acquistare oro proveniente da affinazione elettrolitica. Se si utilizza oro affinato per via chimica
c’è sempre la probabilità di avere dell’osmio come
inquinante. Una volta osservato il difetto bisogna
mandare tutto ad affinare e ripartire con materiale nuovo.
Si vuole prendere in considerazione nel dettaglio una problematica osservata principalmente
nell’oro rosso 14ct. Per riuscire ad affinare un oro
rosso 14ct è necessaria l’introduzione di una notevole quantità di iridio, in quanto tale elemento
risulta solubile nel rame e pertanto buona parte
di esso non concorre a produrre l’effetto affinante
(l’oro presenta il colore rosso perché si ha una
notevole quantità di rame in lega, è il rame che
gli conferisce il colore).
Si è riscontrato che vari produttori, dopo aver
mandato ad affinare per due o tre volte gli scarti
hanno iniziato ad avere grossi problemi di punti
duri, con morfologia tipica di punti duri da iridio, ma molto grandi ed evidenti come se la causa
fosse la sovrasaturazione di iridio nel sistema. Alcuni esempi vengono riportati nelle figure 9.
Figura 7 – Punto duro formato da osmio-iridio-tugsteno
Si riportano anche delle foto di punti duri formati da
osmio e rutenio (figura 8). Come si può osservare in
figura 6 la morfologia non cambia di molto.
Figura 9 – Punti duri da saturazione di iridio
Figura 8 – Punti duri formati da osmio e rutenio
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La causa di tale problema è stata individuata nel
fatto che dopo affinazione si ottiene dell’oro con
iridio. L’iridio fa parte del gruppo dei platinoidi e
come precedentemente spiegato è molto difficile
da separare dall’oro. Pertanto quando si lega l’oro
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con la madrelega si ha una quantità di iridio maggiore di quella tollerata dal sistema che provoca
formazione di punti duri. La conferma di ciò è che
se lo stesso oro puro viene legato con una madrelega priva di affinatore si ottiene una microstruttura comunque affinata, perché l’affinatore viene
introdotto con l’oro. Per evitare il problema si raccomanda in fase di affinazione di adottare particolari accorgimenti. Infatti in presenza di iridio
dovrebbero riconoscersi delle particelle grigio/
nero che rimangono nell’oro dopo l’operazione di
affinazione.
Punti duri generati da agglomerazione
Molto spesso, se non si ha una grossa esperienza
nella produzione di madreleghe, potrebbe succedere che non si riesca a garantire una distribuzione omogenea in lega di quegli elementi aggiunti
in piccole percentuali (ad esempio affinatori e
disossidanti) che, come precedentemente spiegato, se introdotti in maniera non adatta possono
provocare la formazione di punti duri. In figura
10 si ha un esempio di tali punti duri osservati su
pezzi di oro giallo 18 ct.
Figura 11 – Siliciuri di Nichel
In queste due figure si può osservare un punto
duro in una lega bianca 14ct. Tale punto è formata da una “nuvola” molto fitta di puntini di
siliciuri di nichel. La probabile causa questa
volta è dovuta ad un eccessivo riutilizzo degli
scarti promuovendo la coalescenza di puntini che,
dopo la fase di lucidatura, sono resi più evidenti
dall’effetto cometa. E’ bastato ripartire con materiale completamente fresco per risolvere il problema. Lo stesso problema, relativo al riutilizzo
eccessivo degli sfridi, si è osservato in leghe rosse
14ct. In questo caso sono stati osservati dei punti
duri di iridio la cui morfologia risulta identica a
quella di figura 10. Il problema si risolve come illustrato sopra.
In figura 12 è possibile osservare un caso completamente differente:
Figura 10 - Punti duri
In questo caso, l’inconveniente è il risultato di
aggiunte di piccole quantità di iridio puro che il
produttore aggiungeva al metallo in fase di fusione. E’ bastato utilizzare una medrelega già
preparata con l’iridio per eliminare il problema.
In ogni caso l’iridio non va mai aggiunto come
elemento puro ma attraverso una madrelega per
garantire maggiore omogeneità.
Un altro esempio si può osservare in figura 11.
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cause che inibiscono l’azione dell’affinatore
che potrebbe altrimenti non essere distribuito
omogeneamente (ad esempio se si concentra in
certe zone, come nel caso precedente, e non se ne
ha a sufficienza per tutto il materiale). Questo
problema normalmente è più sentito nell’oro
bianco. In figura 13 si può osservare una struttura
a grano grosso ottenuta dopo la prima fusione di
un oro bianco 14 ct.
Figura 12 – Punti duri in colata continua
In queste due figure viene riportato un esempio di
punti duri osservati su oggetti prodotti in colata
continua. La morfologia risulta la medesima
della figura 10. Tali puntini sono formati
esclusivamente da iridio (come quelli di figura
10). La sola differenza è il processo produttivo
utilizzato. In questo caso i puntini sono sorti per
una microsegregazione in fase liquida, dovuta
alla prolungata permanenza allo stato fuso che un
metallo subisce quando si usa in colata continua.
In questo modo si favorisce l’aggregazione
dell’affinatore del grano per effetto gravitazionale,
perché l’iridio presenta una densità maggiore di
tutti gli altri elementi (22,5 g/cm3) e quindi tende
a depositarsi nella parte bassa del crogiolo (sopra
il fronte di solidificazione). La soluzione del
problema è stata quella di eseguire una prefusione
in un crogiolo a parte e sopratutto di tenere
mescolato meccanicamente (con una bacchetta
di grafite) il metallo liquido durante la colata
continua, in modo da limitare tale segregazione.
Inoltre, si suggerisce di impostare la velocità di
traino più alta possibile (compatibilmente con
la qualità del prodotto ottenuto) in modo tale da
ridurre il tempo di permanenza allo stato liquido
del metallo e quindi l’entità di formazione dei
punti duri. Questo tipo di problema potrebbe
presentarsi anche nei processi di microfusione,
nel caso in cui non si effettui la prefusione, infatti
potrebbero esserci delle differenze di titolo in
oggetti posizionati in punti diversi dell’albero.
Si sono avuti anche dei casi di formazione di punti
duri in microfusione utilizzando tutto materiale
nuovo. In tal caso il problema può dipendere dalla
temperatura di colata. La spiegazione sta nel fatto
che un affinatore del grano garantisce un buon
risultato solo se è omogeneamente disciolto nel
liquido prima della solidificazione: la temperatura
del fuso deve essere abbastanza alta e si deve
dare il tempo per la sua dissoluzione. Pertanto in
tali casi si suggerisce di alzare notevolmente la
temperatura di colata durante la prefusione.
A nostro avviso è sempre utile fare una prefusione,
perché così facendo si favorisce una maggiore
omogeneità della lega, eliminando le eventuali
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Figura 13 – Struttura a grano grosso
In questo caso non si è avuta la comparsa di punti
duri ma la struttura del metallo si presenta chiaramente a grano grosso con tutte le conseguenze
che ne derivano.
3. Conclusioni
Per concludere raccomandiamo di lavorare se
possibile solo con oro puro 99,99%. Il massimo
sarebbe se nelle specifiche di acquisto oltre al
titolo legale venisse presa in considerazione anche la possibilità di avere un’analisi relativa
alle impurezze pericolose. Quando si mandano i
lingotti ad affinare sarebbe il caso di richiedere
un’affinazione 99,99% con procedimento che
elimini i PGM (metalli della famiglia del platino);
infatti le impurezze più pericolose risultano essere Os, Ir, Ru, Rh (appunto i PGM), mentre la
presenza di Ag e Cu non risulta essere pericolosa
in quanto elementi normalmente aggiunti all’oro.
Si raccomanda inoltre di lavorare il più possibile
con materiale di qualità e pulito. Questo significa
che bisogna prestare attenzione sia alla pulizia
degli sfridi che di tutti i componenti che vengono
a contatto con il metallo liquido. Pertanto bisogna
pulire gli sfridi prima di riutilizzarli, se possibile
pulire anche crogioli e bacchette varie. Bisogna
stare attenti anche al numero di volte che si riutilizzano gli sfridi magari registrando dopo quante
volte si presentano i difetti così da prevenirli
mandando ad affinare il tutto prima che il difetto
compaia (ad esempio se osservo che nella mia produzione appaiono punti duri dopo che ho riutiliz7
zato gli sfridi per 10 volte, allora per prevenire il
difetto li mando ad affinare dopo 8 fusioni così mi
cautelo e non dovrei avere nessun problema).
4. Bibliografia
• Difetti di colaggio e di altro tipo – Manuale per
il produttore di gioielleria in oro. Dieter Ott –
World Gold Council, Industrial Division. Edizione Italiana: 2002
• Physical metallurgy principles – Third edition.
Robert E. Reed-Hill, Reza Abbaschian
• Metallurgia – Principi generali. Walter Nicodemi. Zanichelli